一种陆空两用作业型飞行机器人制造技术

本实用新型专利技术公开了一种陆空两用作业型飞行机器人，包括飞行机器人、机械臂、运动平台；其中，所述的飞行机器人的机身包含旋翼和动力装置；所述的飞行机器人机身安装在运动平台上面；所述的机械臂包含夹持器和3个关节，1号关节上方与作业型飞行机器人连接，1号关节下方与2号关节上方连接，2号关节下方与3号关节上方连接，3号关节下方与夹持器连接；所述的机械臂后端安装于飞行机器人机身下方；所述的旋翼数量为多个；所述的旋翼数量与动力装置数量一一对应；所述的旋翼沿飞行机器人机身周围均匀分布；所述的陆空两用作业型飞行机器人通过地面站设置任务。通过动力装置、运动平台和机械臂，本实用新型专利技术具有空中快速运动，陆地精确移动的特点，并且通过机载的机械臂实现作业任务。

A dual-purpose land and air operation flying robot

The utility model discloses a land-air dual-purpose operation type flying robot, which comprises a flying robot, a mechanical arm and a moving platform; wherein, the fuselage of the flying robot comprises a rotor and a power device; the fuselage of the flying robot is installed on the moving platform; the mechanical arm comprises a gripper and three joints, and the upper part of the No.1 joint is connected with the operation type flying robot Connect, the lower part of No.1 joint is connected with the upper part of No.2 joint, the lower part of No.2 joint is connected with the upper part of No.3 joint, and the lower part of No.3 joint is connected with the retainer; the rear end of the mechanical arm is installed under the fuselage of the flying robot; the number of rotors is multiple; the number of rotors corresponds to the number of dynamic devices one by one; the rotors are evenly distributed around the fuselage of the flying robot; the The land air dual-purpose operation type flying robot sets tasks through the ground station. Through the power device, the moving platform and the mechanical arm, the utility model has the characteristics of fast movement in the air and precise movement on the land, and realizes the operation task through the mechanical arm on the aircraft.

【技术实现步骤摘要】
一种陆空两用作业型飞行机器人
本专利技术涉及一种飞行器，具体涉及带有机械臂和运动平台的作业型飞行器。
技术介绍
多旋翼无人机是一种不搭载操作人员、通过桨叶驱动可以多次使用的飞行器。随着微电子技术、微机电技术、导航定位技术以及通信技术的不断发展，多旋翼无人机的作用逐渐获得人们的重视，在执行危险任务等特殊环境下发挥了越来越重要的作用。目前市场上的多旋翼无人机主要应用在拍摄和监控方面。即控制飞行器在空中对特定区域进行被动式侦测，但无法对所侦测的目标进行主动操作。传统多旋翼无人机只能在空中飞行，降落后无法在地面行进，降低了多旋翼无人机的应用范围，所以开发和研究具有作业能力的主动操作型飞行机器人具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种陆空两用的作业型飞行机器人。解决了飞行机器人不仅可以在空中快速机动，还能在陆地上灵活行动，通过搭载的机械手臂，还能对被侦测的环境实施主动的影响。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为:包括飞行机器人、机械臂、运动平台三大部分。所述的飞行机器人包括机身结构和控制系统。其中所述的飞行机器人结构包括：六个旋臂、六个直流无刷电机和对应的电子调速器、六个螺旋桨和一个机身。机身周围均匀分布六个旋臂，每个旋臂的长度相等。旋臂的末端安装有六个电机座，每个电机座上方对应一个直流无刷电机。每个直流无刷电机上安装一个螺旋桨，每个直流无刷电机连接一个电子调速器。直流无刷电机高速运动的同时带动螺旋桨产生升力，作为陆空两用作业型飞行机器人在空中快速机动的动力来源。通过控制六个电机不同的转速组合，可以在空间中实现不同运动。上述的飞行机器人包括：飞行控制系统、电源控制系统。飞行控制系统包含：气压计、视觉捕获模块、全球定位模块、三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计构成的AHRS位姿测量单元。数据传输模块和AHRS位姿测量单元通过内部IIC总线与主控制器进行数据通信，其中三轴加速度计可以测量陆空两用作业型飞行机器人在地理坐标系下的加速度，三轴陀螺仪可以测量其三个轴的旋转角速度，三轴磁力计可以测量其在机体坐标系下的三个轴方向上的地球磁场强度。获得九个轴的测量数据之后，在主控制器内部使用四元数算法进行姿态解算，从而获得陆空两用作业型飞行机器人的俯仰、横滚、偏航三个姿态角度。气压计连接主控制器可以获得机器人所在位置大气压，进而计算出机器人的飞行绝对高度。视觉捕获单元通过高清摄像头获得视野信息，然后提取视野中物体的轮廓进行目标匹配并得到目标物体的平面坐标，将该坐标反馈到机械臂控制系统引导机械臂动态抓取。全球定位模块与主控制器进行通信，可以获得机器人的经纬度信息和高度信息，通过所获得经纬度和高度信息可以对陆空两用作业型飞行机器人进行定位。然后利用气压计高度信息对GPS的高度信息进行补偿，使得测量出的陆空两用作业型飞行机器人高度信息更加准确。上述获得的姿态信息和全球位置信息通过主控制器融合处理，通过主控制器的引脚输出六路PWM波信号到电子调速器，电子调速器接收到PWM波信号之后控制六路转子电机的转速。从而为陆空两用作业型飞行机器人提供空中飞行动力和姿态改变的动力。所述的全球定位系统使用UBLOXM8NGPS模块，气压计使用MS5611芯片，三轴加速度计使用LIS2DW12TR芯片，三轴陀螺仪使用FXAS21002C芯片，三轴磁力计使用GY-MAG3110芯片，飞行控制系统的主控制器使用STM32F429VGT6。电源控制系统为机械臂电源系统、运动平台电源系统、飞行机器人电源系统进行合理供电分配，为不相同的电源系统提供相对应的电压值，并将各系统进行隔离，防止飞行控制系统的供电受到其他电源系统的影响，进而导致机器人控制系统运行不正常，使陆空两用作业型飞行机器人失去控制。上述机械臂由连杆和末端执行机构构成，连杆分为1、2、3号连杆，其中1号连杆一端与飞行机器人底部连接，另一端与双输出步进电机连接，1号连杆的转动角度为0-90°。2号连杆一端与1号连杆连接的双输出步进电机连接，另一端连接一个单输出步进电机，2号连杆的转动角度为0-90°。3号连杆一段与末端执行机构连接，另一端与2号电机的单输出步进电机连接。末端执行机构由仿真手指气缸组成，仿真手指由三个软管构成，末端执行机构内部的气缸可以驱动三个软管进行抓取和释放。控制机械臂进行抓取的具体步骤分为四个部分:A1、由旋转角度和机械臂连杆长度来定义机械臂执行机构在三维空间中的坐标系：式中，为机械臂末端执行机构的三维空间坐标系，为机械臂连杆的长度，为机械臂关节的旋转角度。A2、通过建立机械臂的逆运动学模型，首先给出期望机械臂末端执行机构期望的位置，该位置可以由摄像头识别的待抓取物坐标来引导，最终求得各关节应该旋转的角度，即可控制机械臂末端执行机构在空间中的位置。A3、建立了三轴机械臂的运动学模型之后，就可得到其拉格朗日动力学模型。该模型能够分析机械臂各连杆的动力分配，以来平滑控制其抓取物体。式中，，和分别表示系统的总动能和总势能，表示控制力矩。A4、通过A2和A3中给出的机械臂运动学模型和动力学模型，通过视觉捕获系统待对待抓取目标进行识别和跟踪，并得到其在图像平面坐标系下的位置信息坐标系，通过改位置信息引导机械臂进行抓取作业。上述运动平台包括一个方形平台、两个闭环直流电机及配套的轮子、直流电机驱动器和一个万向轮。两个闭环直流电机对称安装在方形平台下部，万向轮沿着闭环直流电机的中垂线安装在方形平台下部，两个电机与万向轮呈三角形排布。直流电机驱动器输出端连接两个闭环直流电机，输入端与上述的电源控制系统和飞行控制系统连接。运动平台的方形平台上方连接上述飞行机器人系统机身的脚架。运动平台进行控制的具体步骤分为以下4个部分：B1、电机驱动器驱动电机运动，电机上的编码盘实时记录电机切割编码盘上光栅的次数。并将该次数通过串口发送。B2、运动底盘控制系统通过串口获取光栅次数，并通过环形对立存储该光栅次数。B3、为了更好的控制运动底盘精确的行进，建立其运动学模型，并将该模型转换为C代码，并固化到运动底盘控制系统。B4、当陆空两用作业型飞行机器人着陆之后，通过位置控制算法，控制运动底盘行进到期望的地方。与现有技术相比，本专利技术具有以下的有益效果：1、灵活快速。陆空两用作业型飞行机器人能够在空中进行快速的机动飞行，通过控制六个电机的转速，产生不同方向的推力，使得陆空两用作业型飞行机器人的飞行自由度具有六自由度。可在空中进行灵活的飞行，以最快速度到达目的地，不受地面环境的影响。2、安全智能。通过设定预定的航线，可以控制陆空两用作业型飞行机器人自动前往危险区域执行特殊任务，避免人员实地探测产生未知的危险。当机器人执行完作业任务之后又可以通过设定的航线自动返航。3、陆空两用作业型飞行机器人通过运动平台，可以在地面上运动，弥补因为在空中滞留时的不稳定气流造成的晃动。使得机器人可以精确运动到指定的位置。4、机械手臂具有三个自由度，可以准本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陆空两用作业型飞行机器人，包括飞行机器人机身、旋翼、动力装置、机械臂、机械爪、运动平台；其中，所述的飞行机器人安装在运动平台上面；所述的机械臂安装于飞行机器人机身下方；所述的旋翼一端与飞行机器人机身连接，另一端与动力装置连接；飞行机器人机身搭载计算控制单元；所述的旋翼数量为6个；所述的机械臂为3自由度；所述的旋翼数量与动力装置数量一一对应；所述的旋翼沿飞行机器人机身周围呈均匀分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种陆空两用作业型飞行机器人，包括飞行机器人机身、旋翼、动力装置、机械臂、机械爪、运动平台；其中，所述的飞行机器人安装在运动平台上面；所述的机械臂安装于飞行机器人机身下方；所述的旋翼一端与飞行机器人机身连接，另一端与动力装置连接；飞行机器人机身搭载计算控制单元；所述的旋翼数量为6个；所述的机械臂为3自由度；所述的旋翼数量与动力装置数量一一对应；所述的旋翼沿飞行机器人机身周围呈均匀分布。


2.根据权利要求1所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的机械臂由连杆和末端执行机构组成，机械臂的连杆由1号、2号、3号连杆依此连接构成，1号连杆的上方与飞行机器人底部固定连接，1号连杆的末端连接双输出步进电机，通过该双输出步进电机与2号连杆的上部连接，2号电机的末端连接一个单输出的步进电机，然后通过该电机与3号连杆的顶部连接，1、2、3号连杆的旋转角度为0-90°，三号连杆的末端通过一个舵机与末端执行机构连接。


3.根据权利要求1所述的陆空两用作业型飞行机器人，其特征在于，所述的飞行机器人结构包含：飞行控制系统、电源控制系统、电源、无刷电机、电子调速器以及用于位姿解算的AHRS模块和视觉捕获系统，AHRS模块包括：三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、全球定位模块、气压计和超声波单元，AHRS模块与飞行控制系统连接，计算出飞行机器人的空间位姿，反馈给飞行控制系统，飞行控制系统输出PWM波到电子调速器，电子调速器将实时控制电机的转速来控制陆空两用作业型飞行机器人的位姿，电源控制系统将电池电量合理的分配给飞行机器人、机械臂和运动平台，视觉捕获系统可以识...

【专利技术属性】
技术研发人员：楚红雨，倪俊超，常志远，邵延华，张晓强，郭玉英，冉莉莉，梅艳莹，荆琦，张得沛，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：新型
国别省市：四川;51